由麦克斯韦方程组推导亥姆霍兹方程
麦克斯韦方程组推导亥姆霍兹方程
麦克斯韦方程组推导亥姆霍兹方程麦克斯韦方程组是电磁学中的基本方程，它描述了电场和磁场的相互作用。
在电磁波方程的推导过程中，亥姆霍兹方程是一个重要的中间步骤。
在本文中，我们将推导麦克斯韦方程组，然后展示如何通过亥姆霍兹方程推导出电磁波方程。
一、麦克斯韦方程组的推导1.高斯定理第一个麦克斯韦方程是高斯定理，它描述了电场和电荷密度的关系。
根据高斯定理，一个封闭曲面上的电通量等于该曲面内的电荷总量的四倍πε0 (其中ε0是真空介电常数)。
∮ E·ds = 4πε0 Q这个方程表明了电场的源是带电粒子。
如果一个闭合曲面内没有电荷，电场通量将为零。
2.法拉第电磁感应定律第二个麦克斯韦方程是法拉第电磁感应定律，它描述了磁场和电场的相互作用。
根据法拉第电磁感应定律，磁通量变化速率与产生感应电动势的电场强度成正比。
ε = -dΦm/dt这个方程表明了磁场的变化会产生电场。
电场和磁场是紧密相连的。
3.安培环路定理和位移电流定律第三个和第四个麦克斯韦方程分别是安培环路定理和位移电流定律。
安培环路定理描述了磁场和电流的相互作用，而位移电流定律描述了电场和时间变化的磁场之间的关系。
根据安培环路定理，通过一个封闭回路的磁通量之和等于该回路内的电流总和。
∮ B·ds = μ0 I其中μ0是真空磁导率。
根据位移电流定律，电场的旋转率等于时间变化的磁场的散度的负值。
rot E = - dB/dt二、亥姆霍兹方程的推导亥姆霍兹方程是电磁波方程的一个重要的中间步骤。
它可以通过麦克斯韦方程和一些向量运算得到。
我们首先从安培环路定律开始:∮ B·ds = μ0 I由斯托克斯定理得：∮ B·ds = ∬(rot B)·ds将rot B替换为-μ0ε0(dE/dt)，得到∮ B·ds = -μ0ε0(d/dt ∫ E·ds)因此，d/dt ∫ E·ds + ∮ B·ds = 0利用高斯定理，∮ (E·ds) = 4πε0 Q则d/dt ∫ E·ds + ∬(rot E)·ds = 0将rot E替换为- dB/dt得到d/dt ∫ E·ds - ∬(dB/dt)·ds = 0简化得到d^2/dt^2 ∫ E·ds - ∬(d^2B/dt^2)·ds = 0然后，我们使用向量恒等式rot(rot A) = grad(div A) - ∇^2 A其中，grad表示梯度，div表示散度，∇^2表示拉普拉斯算子。
《电动力学》公式推导荟萃
1. 电磁场能量守恒定律的推导应用麦克斯韦方程组⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∂∂+=⨯∇=⋅∇∂∂-=⨯∇=⋅∇t DJ H B tBE D 0ρ和洛仑兹力公式B v E f ⨯+=ρρ及v Jρ=，结合公式E H H E H E ⋅⨯∇-⋅⨯∇=⨯⋅∇)()()(可给出电磁场对电荷系统所做的功率密度为E v v B v E v f ⋅=⋅⨯+=⋅ρρρ)(Et D H E J⋅∂∂-⨯∇=⋅=)( Et D E H⋅∂∂-⋅⨯∇=)( []Et D H E H E⋅∂∂-⋅⨯∇+⨯⋅∇-=)()( Et D H t B H E⋅∂∂-⋅∂∂-⨯⋅-∇=)(令H E S⨯=H t B E t D t w⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂对应的积分形式为注释:对于各向同性线性介质，H B E D με==,，由H t B E t D t w⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂给出能量密度为)(21B H D E w ⋅+⋅=而H E S⨯=为能流密度矢量，或称为坡印亭（Poynting ）矢量。
************************************************练习：将积分形式的麦克斯韦方程组分别应用于介质分界面两侧，试由两个高斯定理导出法向边值关系、两个安培定理导出切向边值关系。
2. 静电势ϕ满足泊松方程的推导对于各向同性线性介质，将E D ε=，ϕ-∇=E代入f D ρ=⋅∇ 得f E E E ρϕεϕεεεε=∇-∇⋅-∇=⋅∇+⋅∇=⋅∇2)(即ρϕεεϕf -=∇⋅∇+∇12对于均匀介质, 有0=∇ε此即为静电势ϕ满足的泊松（poisson ）方程，其中fρ为自由电荷体密度。
注释:当0=∇ε，或E⊥∇ε时，均有0=∇⋅∇ϕε，ϕ仍满足泊松方程。
3. 静电场能量公式的推导在线性介质中，电场总能量为⎰∞⋅=dVD E W 21 对于静电场，利用ρϕ=⋅∇-∇=D E,给出ρϕϕϕϕϕ+⋅-∇=⋅∇-⋅∇-=⋅-∇=⋅)(])([D D D D D E所以⎰⎰⎰⎰⎰∞∞∞∞∞+⋅-=+⋅∇-=⋅dV s d D dV dV D dV D E ρϕϕρϕϕ)( 又=⋅⎰∞s d D ϕ，故注释:（1）电场能量分布于空间电场中。
第二章 光纤光学的基本方程
麦克斯韦方程与亥姆霍兹方程 程函方程与射线方程 波导场方程 模式及其基本性质
波动光学理论
❖ 用几何光学方法虽然可简单直观地得到光线在光 纤中传输的物理图象，但由于忽略了光的波动性 质，不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布及 其它许多特性。
❖ 采用波动光学的方法，把光作为电磁波来处理， 研究电磁波在光纤中的传输规律，可得到光纤中 的传播模式、场结构、传输常数及截止条件。
n r
dr ds
dn ds
❖ 上两矢量式点乘，第二项因两矢量正交为零，故有
K
1
R
eR
n r nr
❖ 因曲率半径总是正的，所以等式右边必须为正：
n r nr
0时，eR 与er 夹角小于
2
；
n r n r
0时，eR
与er
夹角大于
2
；
A B C A C B A B C
❖ 得到
{S r • S r }E0 n 2E0 0
即
S r • S r n 2 程函方程
或 S 2 n 2， S(r ) n r
或
S r
eR
❖ 即光线前进时，向折射率高的一侧弯曲。
n’ n dr/ds
n’ >n
例3：光线在圆柱体中的传播
z
光线方程：d ds
n(r)
dr ds
n(r)
r
0
光线方程在圆柱坐标中可分解成三个标量方程：
设折射率分布横截面为中心对称分布，纵向不变，则：
基尔霍夫公式
（4）
3． 基尔霍夫衍射积分公式的证明 ． ⑴ 应用基尔霍夫边界条件 为了简化亥姆霍兹－基尔霍夫公式，使其成为更便于计算衍射问题的形式，可按图 x 的方式选 取闭合面 S = Σ + Σ1 + Σ 2 ，其中
图3
Σ1 －位于 ( ξ ,η ) 平面上一个无穷大的不透明屏；
Σ －不透明屏上一个开孔（衍射孔径） ；
r
P
∂E 来表示（图 1） 。下面介 ∂n
r
n
ε
P1
Sε
S
V
图1
图2
3． 应用格林定理 ． 格林定理表示为：
∫∫∫ ( G∇ E − E∇ G )dv = ∫∫ G ∂n − E ∂n dσ
2 2 v S
∂E
∂G
（5）
式中 E 为包围 P 点的任意封闭面 S 上的电场， 格林函数 G =
（17）
上式中， Ω 是 Σ 2 对 P 点所张的立体角， d ω 是立体角元。由于
GR = exp ( jkR ) 在 Σ 2 上一致有界，只要满足下述的索末菲辐射条件：
∂E lim R + jkE = 0 R →∞ ∂n
（18）
对 Σ 2 的积分就会随着 R → ∞ 而消失。
exp ( jkR ) R
∂G ( P ) 1 e jkR 1 = cos ( n , R ) jk − ≈ − jkG ∂n R R 因为:R → ∞, con ( n , R ) = −1
（16）
于是，对 Σ 2 的积分化简为：
1 4π ∂E ∂E + E ( jkG ) dσ = ∫∫ R + ( jkE ) ( GR ) dω G ∫∫ ∂n ∂n Σ1 Ω
麦克斯韦四个基本方程公式
麦克斯韦四个基本方程公式
麦克斯韦方程组是电磁学的基础之一，其中最重要的是四个基本方程。
它们是：
1. 高斯定理
这个方程表示电场通量与电荷的关系。
它的数学表达式是：
∮E·dS = Q / ε0
其中，E是电场强度，S是任意闭合曲面，Q是曲面内的总电荷量，ε0是真空中的电介质常数。
2. 麦氏定理
这个方程表示磁场通量与电流的关系。
它的数学表达式是：
∮B·dl = μ0I
其中，B是磁场强度，l是任意闭合回路，I是通过回路的总电流，μ0是真空中的磁导率常数。
3. 法拉第电磁感应定理
这个方程表示变化的磁场可以产生电场。
它的数学表达式是：
∫E·dl = -dΦB / dt
其中，E是电场强度，l是任意回路，ΦB是磁通量，t是时间。
4. 安培定理
这个方程表示变化的电流可以产生磁场。
它的数学表达式是：
∮B·dl = μ0ε0(dΦE / dt + J)
其中，B是磁场强度，l是任意闭合回路，ΦE是电通量，t是时间，J是电流密度。
热力学麦克斯韦关系式推导
热力学麦克斯韦关系式推导热力学麦克斯韦关系式，这个名字听起来像是在说什么高深莫测的东西，其实它就像是在告诉我们一些非常有趣的物理道理。
想象一下，你在炎热的夏天，站在一杯冰凉饮料旁边，喝上一口，那种感觉真是无与伦比。
热力学就是在研究这样一种现象，探讨热、能量和物质之间的关系。
这其中，麦克斯韦关系式就像是一个聪明的小精灵，悄悄地在我们身边发挥着作用。
说到麦克斯韦关系式，咱们得先了解点基础知识。
热力学有几个重要的状态函数，比如内能、焓、熵等等。
听起来复杂？其实就是在说一堆和我们生活息息相关的东西。
比如说，内能就像是你那台老旧冰箱里的能量，焓就像是你做菜时需要的热量，而熵呢，就是那种你家里永远乱糟糟的状态——总是要增加的。
简单来说，这些状态函数能帮我们描述系统的各种状态。
然后，麦克斯韦可不是一个普通的人物。
他是个传奇，他用数学公式把这些状态函数连接起来，揭示了它们之间的关系。
这就像是一个神秘的密码，让我们能够用简单的公式解锁更复杂的热力学现象。
比如，你可以通过一个状态函数的变化，推导出另一个状态函数的变化，这种方法就像是玩拼图，拼出完整的图案。
怎么推导这些关系式呢？咱们先从基本的热力学定律说起。
第一定律告诉我们能量守恒，第二定律则是关于熵的增加。
把这两者结合在一起，就能理解热力学的本质。
我们可以利用热力学的基本方程，逐步进行微分，把一些复杂的公式化繁为简。
就像是在做数学题，越做越明白，这个过程其实蛮有意思的。
这里有个小窍门，记住“状态函数”这一概念。
它们就像是天上的星星，每颗星星代表一种物理量。
当你试图推导时，找到它们之间的联系就显得特别重要。
想象一下，你要把这些星星连成线，最终形成一幅美丽的星空图。
每一个星星的变化，都能影响到其他星星的状态，最终影响整个系统的行为。
通过这种方式，我们就能得出麦克斯韦关系式，比如：(left(frac{partial S{partial Vright)_T = left(frac{partial P{partial Tright)_V)。
电动力学复习
电动⼒学复习第⼀章电磁现象的基本规律1、描写静电场的基本⽅程（积分与微分），各⾃反映静电场的什么性质，以及微分⽅程反映场的局域性质的意义。
2、描写静磁场的基本⽅程（积分与微分），各⾃反映静磁场的什么性质，以及微分⽅程反映场的局域性质的意义。
3、电荷守恒定律的微分形式；欧姆定律的微分形式4、电荷系统单位体积所受电磁场作⽤的⼒密度（即洛伦兹⼒公式）5、1）电介质极化，极化体束缚电荷密度与极化强度的关系，极化⾯电荷密度与极化强度的关系；引⼊辅助量，电位移⽮量，电位移⽮量的定义式；对各向同性线性介质，电位移⽮量的表达式；如：均匀介质内部的体极化电荷密度p ρ总是等于体⾃由电荷密度f ρ的)1(0εε--倍。
2）磁介质磁化，引⼊辅助量，磁场强度，磁场强度的定义式；对各向同性⾮铁磁质，磁场强度的表达式6、电磁场边值关系如：1）介电常数分别为ε1和ε2两种绝缘介质的分界⾯上不带⾃由电荷时，分界⾯上电场线的曲折满⾜什么关系2）⽤边值关系证明:在绝缘介质与导体的分界⾯上,在静电情况下,导体外的电场线总是垂直于导体表⾯，在恒定电流的情况下,导体内电场线总是平⾏于导体表⾯。
7、麦克斯韦⽅程组，两个基本假设：感⽣电场和位移电流。
其中位移电流如何产⽣，位移电流与传导电流的共同点与不同点。
8、1）电磁场和电荷系统的能量转化和守恒定律的微分形式；2）电磁场的能量密度和能流密度表达式9、结合场的微分⽅程的数学上的散度、旋度的计算（如P34 习题3）如：已知电位移⽮量z y x e z e y e x D323++=，求电荷密度；已知电极化强度，求极化电荷密度；x e y e B y x+=是否为能表⽰磁感应强度的⽮量函数；若给出磁感强度为，求m 的值；⽮量是否可能是静电场的解第⼆章静电场1、在静电场中，电场强度 E和电位 ? 之间的关系；如：已知电势222z y x -=?，求电场强度；已知电势，求电场强度等2、静电势的微分⽅程和边值关系（注意导体的静电条件）3、⽤电荷密度和电势表⽰的静电场能量（注意只对总能量计算有意义，不能当做能量密度看待），如计算带电量Ｑ﹑半径为a 的导体球的静电场总能量； 4、唯⼀性定理是解静电学问题的理论基础5、分离变量法解拉普拉斯⽅程（球坐标系下通解的形式，以及问题具有轴对称性以及球对)()23(3mzy e z y e x e B z y x +--+=(2)xyzE yz x e xze xye=-++称性下的简化形式）如：P49-51 例题 2 与例题3补充习题：1）真空中半径为R 的带电球⾯，其电荷⾯密度为σ =σ0cos θ（σ0为常数），试⽤分离变量法求球⾯内外的电势分布。
《电动力学》公式推导荟萃
1. 电磁场能量守恒定律的推导应用麦克斯韦方程组⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∂∂+=⨯∇=⋅∇∂∂-=⨯∇=⋅∇t DJ H B tBE D 0ρ和洛仑兹力公式B v E f ⨯+=ρρ及v Jρ=，结合公式E H H E H E ⋅⨯∇-⋅⨯∇=⨯⋅∇)()()(可给出电磁场对电荷系统所做的功率密度为E v v B v E v f ⋅=⋅⨯+=⋅ρρρ)(EtD HE J⋅∂∂-⨯∇=⋅=)( Et D E H ⋅∂∂-⋅⨯∇=)( []Et D H E H E⋅∂∂-⋅⨯∇+⨯⋅∇-=)()( Et D H t B H E⋅∂∂-⋅∂∂-⨯⋅-∇=)(令H E S⨯=H t B E t D t w ⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂对应的积分形式为注释:对于各向同性线性介质，H B E D με==,，由H t B E t D t w⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂给出能量密度为)(21B H D E w ⋅+⋅=而H E S⨯=为能流密度矢量，或称为坡印亭（Poynting ）矢量。
************************************************练习：将积分形式的麦克斯韦方程组分别应用于介质分界面两侧，试由两个高斯定理导出法向边值关系、两个安培定理导出切向边值关系。
2. 静电势ϕ满足泊松方程的推导对于各向同性线性介质，将E D ε=，ϕ-∇=E代入f D ρ=⋅∇ 得f E E E ρϕεϕεεεε=∇-∇⋅-∇=⋅∇+⋅∇=⋅∇2)(即ερϕεεϕf -=∇⋅∇+∇12对于均匀介质, 有0=∇ε此即为静电势ϕ满足的泊松（poisson ）方程，其中f ρ为自由电荷体密度。
注释:当0=∇ε，或E⊥∇ε时，均有0=∇⋅∇ϕε，ϕ仍满足泊松方程。
3. 静电场能量公式的推导在线性介质中，电场总能量为⎰∞⋅=dVD E W 21 对于静电场，利用ρϕ=⋅∇-∇=D E,给出ρϕϕϕϕϕ+⋅-∇=⋅∇-⋅∇-=⋅-∇=⋅)(])([D D D D D E所以⎰⎰⎰⎰⎰∞∞∞∞∞+⋅-=+⋅∇-=⋅dV s d D dV dV D dV D E ρϕϕρϕϕ)( 又=⋅⎰∞s d D ϕ，故注释:（1）电场能量分布于空间电场中。
亥姆霍兹方程
, z) exp[ j (cos
x
cos
y)]d(cos )d(cos )
研究角谱的传播就是要找到上面两个角谱，即 z 0 平面 上的角谱和 z z 平面上的角谱之间的关系
18
复振幅分布及其角程讨论传播规律
19 0 6
将 U(x, y, z) 表达式代入亥姆霍兹方程,改变积分与微分的 顺序，可以推导出，二阶线性微分方程
算得到为
A( f x , f y , z) U (x, y, z) exp[ j (xf x yf y )]dxdy
由于各个不同空间频率 的空间傅里叶分量可看作是沿不同
方向传播的平面波，因此称空间频谱为平面波谱即复振幅
分布的角谱
同时有逆变换为 U (x, y, z) A( f x , f y , z) exp[ j (xf x yf y )]dfxdf y
6
球面波的复振幅表示
19 0 6
从点光源发出的光波，在各向同性介质中传播时形成球形的 波面，称为球面波。一个复杂的光源常常可以看做是许多点 光源的集合,它所发出的光波就是球面波的叠加 这些点光源互不相干时是光强相加，相干时则是复振幅相加。 球面波的等位相面是一组同心球面，每个点上的振幅与该点 到球心的距离成反比 当直角坐标的原点与球面波中心重合时，单色发散球面波在 光场中任何一点产生的复振幅可写作
exp
j
k z
x x
y
y
位相相同的点的轨迹，即等位相线方程为同心圆族
x x y y C
10
平面波的复振幅表示
19 0 6
在任意时刻、与波矢量相垂直的平面上振幅和位相为常数的 光波称为平面波 如波矢量 k 表示光波的传播方向，其大小为 k 2 ，方 向余弦为 cos,cos,cos ，则平面波传播到空间某点的复振 幅的一般表达式为 U (x, y, z) a exp( jk r)
基尔霍夫公式
2 － 以考察点 P 为球心，半径 R 趋于无穷大的 球面。
于是公式（4）的亥姆霍兹－基尔霍夫积分可表示为：
E
7/26/2021
p
1 4
1 2
E
n
exp jkr
r
E
exp jkr
n学 习文r档
d
（14）
为了确定这三个面上的 E ，E 值，可以应用基尔霍夫边界条件（或基尔霍夫 n
（21）
7/26/2021
学习文档
⑶ 亥姆霍兹－基尔霍夫积分的进一步化简
如图 x 所示，对孔径平面上的任意点 Q ，设 E 是从 S0 点发出的单色球面波在 Q 点的分布，格林函数为 Q 点
发出的球面子波对考察点 P 的贡献量，于是有：
E Q A e jkr0 ，
r0
G Q e jkr
r
（22）
所示的闭合面传播时，光波复振幅 7/26/2021
E
r
可用学上习式文来档描述。
2．亥姆霍兹－基尔霍夫定理 1882 年，基尔霍夫从亥姆霍兹方程出发，利用数学上的格林定理，导出
了一个求解标量波衍射的基本公式，即亥姆霍兹－基尔霍夫定理：
E p
1 4
s
E n
exp
r
jkr
E
n
exp
r
2E K 2E 0
（6）
2E K 2E 0
并将上述方程代入格林定理，容易证明其左边：
G2E E2Gdv 0
v
于是，格林定理化简为：
S
G
E n
E
G n
d
S
G
E n
E
G n
d
（7） （8） （9）
高等工程光学思考题
《高等工程光学》思考题1．简述麦克斯韦方程组中各方程式的物理意义。
Faraday电磁感应定律实质：变化的磁场产生变化的电场。
Ampere环路定律实质：由电流场或变化的电场产生磁场。
传导电流代表稳恒电流场 位移电流代表变化的电场 物理意义：磁场强度沿闭合环路的积分等于该环路所包围的电流强度之代数和。
电场的Gauss定理物理意义：穿过闭合曲面的电位移通量等于该曲面所包围空间体积的自由电荷的代数和。
磁场的Gauss定理物理意义：穿过任一闭合曲面的磁感应通量等于零。
∫∫Σ=⋅0σvv dB21．试证明麦克斯韦方程组中只有两个方程是独立的。
22．对于空气、玻璃等光学介质，在可见区域可认为无吸收，原因何在？①对于空气、玻璃等光学介质，可近似为理想介质，光学吸收近似为零。
是因为理想介质σ=0，光波通过介质时无传导电流，故无焦耳热损耗，即无吸收。
而任何实际介质σ≠0，故皆有吸收。
②介质中传导电流远小于位移电流；而在半导体中两者几近相等；在导体中传导电流显著大于位移电流；若是理想导体，只存在传导电流而无位移电流。
③对于磁性物质，μr≠1，当μr>=1时，为顺磁物质，如锰、鉻、氮、氧等，当μr<=1时，为逆磁物质（抗磁），如金、银、铜、水、氢、氯等。
而当lμrl>>1时，则为铁磁物质，如铁、钴、镍等。
24．为何通常所讲的光振动矢量是指E矢量，其振动方向就是光波的偏振方向？光波场的E矢量的振幅远大于B矢量，因而引起探测器响应的主要是E矢量。
通常所讲的光振动矢量是指E矢量，其振动方向就是光波的偏振方向。
2．光波场的色散产生的物理机制是什么？试描述洛伦兹色散模型并解释其物理含义。
现象：色散表现为介质对不同频率的光波具不同的相速度；因而具有不同的折射率。
麦氏电磁理论：光波在介质中的相速度取决于介质的介电常数(ωε)。
色散产生的物理机制究竟如何？洛伦兹的电子论观点：色散现象可认为是介质中带电粒子在光波场作用下，作受迫振动时产生的一种效应；其实质是光波电磁场与介质分子相互作用的结果。
麦克斯韦方程组的推导及说明
13-6 麦克斯韦方程组关于静电场和稳恒磁场的基本规律，可总结归纳成以下四条基本定理：静电场的高斯定理：静电场的环路定理：稳恒磁场的高斯定理：磁场的安培环路定理：上述这些定理都是孤立地给出了静电场和稳恒磁场的规律，对变化电场和变化磁场并不适用。
麦克斯韦在稳恒场理论的基础上，提出了涡旋电场和位移电流的概念：1. 麦克斯韦提出的涡旋电场的概念，揭示出变化的磁场可以在空间激发电场，并通过法拉第电磁感应定律得出了二者的关系，即上式表明，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场联系在一起的。
2. 麦克斯韦提出的位移电流的概念，揭示出变化的电场可以在空间激发磁场，并通过全电流概念的引入，得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质中的表示形式，即上式表明，任何随时间而变化的电场，都是和磁场联系在一起的。
综合上述两点可知，变化的电场和变化的磁场彼此不是孤立的，它们永远密切地联系在一起，相互激发，组成一个统一的电磁场的整体。
这就是麦克斯韦电磁场理论的基本概念。
在麦克斯韦电磁场理论中，自由电荷可激发电场，变化磁场也可激发电场，则在一般情况下，空间任一点的电场强度应该表示为又由于，稳恒电流可激发磁场，变化电场也可激发磁场，则一般情况下，空间任一点的磁感强度应该表示为因此，在一般情况下，电磁场的基本规律中，应该既包含稳恒电、磁场的规律，如方程组（1），也包含变化电磁场的规律，根据麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流的概念，变化的磁场可以在空间激发变化的涡旋电场，而变化的电场也可以在空间激发变化的涡旋磁场。
因此，电磁场可以在没有自由电荷和传导电流的空间单独存在。
变化电磁场的规律是：1.电场的高斯定理在没有自由电荷的空间，由变化磁场激发的涡旋电场的电场线是一系列的闭合曲线。
通过场中任何封闭曲面的电位移通量等于零，故有：2.电场的环路定理由本节公式（2）已知，涡旋电场是非保守场，满足的环路定理是3.磁场的高斯定理变化的电场产生的磁场和传导电流产生的磁场相同，都是涡旋状的场，磁感线是闭合线。
求解亥姆霍兹方程
求解亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程是物理学中的一类重要方程，广泛应用于声学、电磁学、量子力学等领域。
求解亥姆霍兹方程是这些领域中的重要问题，下面我们来探讨一下。
一、亥姆霍兹方程的定义亥姆霍兹方程是一个二阶偏微分方程，它的一般形式为：$$ \Delta u + k^2 u = f $$其中，$u$是未知函数，$k$是常数，$f$是给定的源函数，$\Delta$是拉普拉斯算子。
该方程可以描述一个介质中的波动现象。
二、亥姆霍兹方程的求解方法亥姆霍兹方程的求解方法主要有两种：分离变量法和格林函数法。
1. 分离变量法分离变量法是一种常用的求解亥姆霍兹方程的方法。
该方法将未知函数表示为一系列单独的函数的乘积，从而将亥姆霍兹方程转化为一系列常微分方程，再求解这些常微分方程。
例如，对于一个圆柱体内的亥姆霍兹方程，我们可以将未知函数表示为：$$ u(r,\theta,z) = H(r) G(\theta) F(z) $$其中，$r$、$\theta$和$z$分别是圆柱体内的径向、角向和轴向坐标，$H$、$G$和$F$是对应的函数。
代入亥姆霍兹方程，得到：$$ \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r\frac{\partial H}{\partial r} \right) G F + \frac{1}{r^2}\frac{\partial^2 G}{\partial \theta^2} H F + \frac{\partial^2 F}{\partial z^2} H G + k^2 H G F = f $$将分离变量后的方程化为各自的常微分方程后，我们可以分别求解$H$、$G$和$F$，再将其乘积得到原方程的解。
2. 格林函数法格林函数法也是一种常用的求解亥姆霍兹方程的方法。
该方法基于格林函数理论，通过求解一些特定的泊松方程来构造出亥姆霍兹方程的格林函数，从而求得原方程的解。
麦克斯韦方程组推导过程
麦克斯韦方程组推导过程麦克斯韦方程组是描述电磁场的基本方程组，包括波动方程、电磁场连续性方程和电磁场力方程。
下面是麦克斯韦方程组的推导过程：首先，我们考虑电磁场的波动方程。
波动方程描述了电磁场的振荡现象，可以用电场E和磁场H的函数来表示。
根据电磁场波动方程的表达式，我们可以将其分为两部分：一部分是电荷密度ρ，另一部分是电流密度J。
其中，电荷密度ρ表示电磁场中的电荷分布情况，而电流密度J 则表示电磁场中的电流分布情况。
波动方程中的变量E和H则表示电磁场中的电场强度和磁场强度。
接下来，我们考虑电磁场连续性方程。
电磁场连续性方程描述了电磁场的变化规律，它与电荷守恒定律和麦克斯韦方程组密切相关。
根据电磁场连续性方程的表达式，我们可以将其分为两部分：一部分是电荷守恒定律，另一部分是麦克斯韦方程组。
其中，电荷守恒定律表示电荷在时间t内的变化量等于电流密度J在时间t内的变化量。
而麦克斯韦方程组则表示电荷密度ρ在时间t内的变化量等于电场强度E在时间t内的变化量加上磁场强度H在时间t内的变化量。
最后，我们考虑电磁场力方程。
电磁场力方程描述了电磁场对带电粒子的作用力，它可以用库仑定律和安培定律来表示。
根据电磁场力方程的表达式，我们可以将其分为两部分：一部分是库仑定律，另一部分是安培定律。
其中，库仑定律表示两个点电荷之间的作用力与它们之间的距离的平方成反比，与它们的电荷量成正比。
而安培定律则表示电流密度J与磁场强度H之间的关系，它表示了电流在磁场中受到的作用力与电流密度J和磁场强度H之间的关系。
综上所述，麦克斯韦方程组的推导过程需要结合波动方程、电磁场连续性方程和电磁场力方程，通过这些方程的组合推导出麦克斯韦方程组。
这个推导过程需要用到一些数学知识和物理概念，如微积分、向量运算等。
通过推导麦克斯韦方程组，我们可以更好地理解电磁场的性质和规律，从而更好地应用于科学研究和实际应用中。
亥姆霍兹方程推导
亥姆霍兹方程与波动场中的其他物理量，如速度、加速度、位移等密切相关。 通过该方程，可以建立这些物理量之间的联系，为波动现象的研究提供方便。
推导亥姆霍兹方程的目的
揭示波动现象的本质
通过推导亥姆霍兹方程，可以深入了解波动现象的本质和规律，掌握波动场的基 本性质和传播特点。
为实际应用提供理论支持
亥姆霍兹方程的解的性质
解的存在性和唯一性
在一定的边界条件和初始条件下，亥姆霍兹方程存在唯一 解。解的存在性和唯一性可以通过数学方法如分离变量法、 格林函数法等来证明。
解的振荡性质
亥姆霍兹方程的解具有振荡性质，即解在空间中呈现周期 性的变化。这种振荡性质与波的传播和干涉现象密切相关。
解的衰减性质
在某些情况下，亥姆霍兹方程的解会随着距离的增加而逐 渐衰减。这种衰减性质与波的扩散和衰减现象有关。
将亥姆霍兹方程转化为等价的变分问题，即 求泛函的极值问题。
网格剖分
将求解区域剖分为有限个单元，每个单元内的 解用形函数近似表示。
单元分析
对每个单元进行分析，建立单元刚度矩阵和荷载 向量。
总体合成
将所有单元的刚度矩阵和荷载向量按照一定规则合 成总体刚度矩阵和荷载向量。
边界条件处理
根据问题的边界条件，对总体刚度矩阵和荷载向 量进行修正。
进而研究热传导的规律。
05
数值方法求解亥姆霍兹方程
有限差分法
差分格式
将亥姆霍兹方程中的微分项用差分格式近似，从 而将偏微分方程转化为代数方程。
网格划分
在求解区域上划分网格，将连续的空间离散化， 便于计算机处理。
边界条件处理
根据问题的边界条件，对差分方程进行修正，以 保证解的正确性。
电动力学知识点归纳及典型试题分析
《电动力学》知识点归纳及典型试题分析、试题结构总共四个大题: 1 .单选题（10咒2'）：主要考察基本概念、基本原理和基本公式, 及对它们的理解。
2.填空题（10X2'）：主要考察基本概念和基本公式。
3.简答题（5x3）：主要考察对基本理论的掌握和基本公式物理意义的理解。
的计算和对基本常用的方程和原理进行证明。
例如：证明泊松方程、 电磁场的边界条件、亥姆霍兹方程、长度收缩公式等等；计算磁感强 度、电场强度、能流密度、能量密度、波的穿透深度、波导的截止频 率、空间一点的电势、矢势、以及相对论方面的内容等等。
二、知识点归纳7 X E =-——.a空 + J;（此为麦克斯 -瞇7 • D = P ;g B = 0.韦方程组）；在没有电荷和电流分布（P = 0,J=0的情形）的自由空间（或均匀… - cBV X E =———・4=生;（齐次的麦克斯韦方程组）4.证明题 （8' +7'）和计9>8>6^7'）：考察能进行简单知识点1 :一般情况下，电磁场的基本方程为：XH = 介质)的电磁场方程为:V 2=0;7 •B =0.知识点2:位移电流及与传导电流的区别。
答：我们知道恒定电流是闭合的：可J =0.(恒定电流)在交变情况下，电流分布由电荷守恒定律制约，它一般不再闭合。
一般说来，在非恒定情况下，由电荷守恒定律有cP 可J =-——圭0.现在我们考虑电流激发磁场的规律：V X B=40J.(@)取两边散度，由于V VX B三0，因此上式只有当可J = 0时才能成立。
在非恒定情形下，一般有可J H0，因而(@ )式与电荷守恒定律发生矛盾。
由于电荷守恒定律是精确的普遍规律，故应修改(@)式使服从普遍的电荷守恒定律的要求。
把(@ )式推广的一个方案是假设存在一个称为位移电流的物理量J D，它和电流J合起来构成闭合的量P心+J D)=0,(* )并假设位移电流J D与电流J 一样产生磁效应，即把(@ )修改为Vx^k oJ + J D)。
麦克斯韦关系推导
麦克斯韦关系推导
燃烧机原理之麦克斯韦方程是我们在物理及机械专业中经常接触到的重要概念。
它的出现和发展是物理学家麦克斯韦与英国数学家克兰兹之间紧密合作的结果。
我们将来自不同学科的知识中结合起来，帮助人们更好地了解动力原理，在生活活动中发挥重要作用。
麦克斯韦(James Clerk Maxwell)是一位伟大的物理学家，曾被誉为19世纪最
重要的科学家之一。
麦克斯韦生于苏格兰，‘少年时代’得到过他父亲的严厉熏陶，青年时期在伦敦大学学习。
它的著作主要是电磁学，这是1860年以后开始研究的
课题，他把电磁学和光学联系起来，提出电磁学和磁学是一体的宇宙规律。
克兰兹(W.Kelvin P. Orrin)是英国数学家，也是物理学和测绘学家，也曾在
英国皇家学院担任过大学院士。
他的研究生活以测量处的工作为主，他的主要工作是海洋物理学，提出了温度计的概念，数学方法可以用来估算非平稳流体的阻力力学效应。
在他的学术研究中，也参与了与麦克斯韦的电磁学研究，这些研究结果最终合成成为尤里定理，这就是麦克斯韦克兰兹方程。
它表明了热动力和动力学之间的关系，可以用来解释动力机械装置的运行原理，是研究发动机和机械装置运行原理的重要理论依据。
此外，最近用麦克斯韦方程在将发动机和计算机硬件结合起来，形成智能汽车，将大大提高汽车行驶的安全性和安全性，也将在汽车行业有大的突破，改善人们的生活和出行。
综上可见，麦克斯韦克兰兹方程的出现是物理学和数学学界伟大的科学家麦克
斯韦和克兰兹的合作结果，为科学以及生活研究提供重要的理论依据，具有重要的科学意义和商业意义，是科学技术发展的重要标志之一，对进一步改善我们的社会福祉也有积极作用。
亥姆霍兹方程推导
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4
令 0 0 可得
于是
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5
令 P 0 0 上式变为
设
则
又
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6
结束语
若有不当之处，请指正，谢谢！
如果电磁场被约束在有限的空间场的分布不是连续的而是分立的在给定条件下求解麦克斯韦方程就得到一系列的解每个解表示电磁场光场的一种分布电磁场光场的一种分布称为电磁场光波的一种模式或称为一种波型其中各向同性介质可得于是以上有不当之处请大家给与批评指正谢谢大家
1.2 光波的模式与光子的量子状态
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1
模的概念
• 如果电磁场被约束在有限的空间，场的分 布不是连续的，而是分立的
• 在给定条件下求解麦克斯韦方程就得到一 系列的解，每个解表示电磁场（光场）的 一种分布
• 电磁场（光场）的一种分布称为电磁场 （光波）的一种模式或称为一种波型
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麦克斯韦方程组
其中
各向同 性介质
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光模式理论简介
2）一个模式，实际上是正规光波导的光场沿横截面 分布的一种场图。
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3）模式是有序的。因为模式是微分方程的一系列特 征解，所以是离散的、可以排序的。排序方法： 一种是以特征方程中分离变量的根的序号排列； 另一种是以之大小排序， 越大序号越小。 4）许多个模式的线性组合构成了光波导中总的场分 布。因此，一系列模式可以看成一个光波导的场 分布的空间谱。 5）一个模式在波导中传播最基本的物理量是它的传 输常数。
E er Er e E ez Ez H er H r e H ez H z
Ez k02 n 2 2 H z
2 t
Ez 0 H z
1 E z 1 2 E z k02 n 2 2 E z 0 r 2 r r r r 2
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图 4 几种低阶模的场分布
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主要内容
1、光纤结构 2、模式概念 3、光纤内模式传输的理论分析 4、结论
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3、光纤内模式传输的理论分析
1、光纤结构
涂覆层
包层
纤芯
图 1 光纤横截面结构
图2 不同芯径的光纤
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b 多模光纤
a 单模光纤
图 3 光纤中的光线传输
光纤五要素：纤芯/包层折射率、阶跃型/渐变型、 纤芯/包层直径、数值孔径以及材料
光线在包层和外界环境交界面处有一定的穿透深 度，因此，这样的光线可以感知外界环境的变化，从 而可以进行传感。
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由麦克斯韦方程组推导亥姆霍兹方程
麦克斯韦方程组：
\nabla \cdot \mathrm{E} = \frac{1}{\epsilon_0} \rho
\nabla \cdot \mathrm{B} = 0
\nabla \times \mathrm{E} = - \frac{\partial
\mathrm{B}}{\partial t}
\nabla \times \mathrm{B} = \mu_0 \mathrm{J} + \mu_0
\epsilon_0 \frac{\partial \mathrm{E}}{\partial t}
其中，
- \mathrm{E} 表示电场强度；
- \mathrm{B} 表示磁场强度；
- \rho 表示电荷密度；
- \mathrm{J} 表示电流密度；
- \epsilon_0 表示真空介电常数；
- \mu_0 表示真空磁导率。
根据法拉第电磁感应定律，有
\nabla \times \mathrm{E} = - \frac{\partial
\mathrm{B}}{\partial t}
将其代入第四个式子中，得
\nabla \times \mathrm{B} = \mu_0 \mathrm{J} - \mu_0
\epsilon_0 \frac{\partial \mathrm{E}}{\partial t}
对两个式子分别取旋度，得
\nabla \times (\nabla \times \mathrm{E}) = -
\frac{\partial}{\partial t} \nabla \times \mathrm{B} \nabla \times (\nabla \times \mathrm{B}) = \mu_0 \nabla \times \mathrm{J} - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t} (\nabla \times \mathrm{E})
根据矢量恒等式
\nabla \times (\nabla \times \mathrm{A}) = \nabla(\nabla \cdot \mathrm{A}) - \nabla^2 \mathrm{A}
得到
\nabla(\nabla \cdot \mathrm{E}) - \nabla^2 \mathrm{E} = -\frac{\partial}{\partial t} (\nabla \times \mathrm{B}) \nabla(\nabla \cdot \mathrm{B}) - \nabla^2 \mathrm{B} = \mu_0 \nabla \times \mathrm{J} - \mu_0 \epsilon_0
\frac{\partial}{\partial t} (\nabla \times \mathrm{E}) 由于磁场无源，即 \nabla \cdot \mathrm{B} = 0，因此第二个式子可以简化为
\nabla^2 \mathrm{B} = - \mu_0 \nabla \times \mathrm{J} + \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t} (\nabla \times \mathrm{E})
对第一个式子取散度，得
\nabla^2 \mathrm{E} = \frac{1}{\epsilon_0} \nabla \cdot \rho - \frac{\partial}{\partial t} (\nabla \times \mathrm{B}) 将第一个式子和上式代入第二个式子中，得到
\nabla^2 \mathrm{E} = \frac{1}{\epsilon_0} \nabla \cdot \rho - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathrm{E}}{\partial t^2} + \mu_0 \frac{\partial}{\partial t} (\nabla \times
\mathrm{J})
因为电荷守恒方程为 \nabla \cdot \mathrm{J} = -
\frac{\partial \rho}{\partial t}，所以上式可以进一步化简为\nabla^2 \mathrm{E} = \frac{1}{\epsilon_0} \nabla \cdot \rho - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathrm{E}}{\partial t^2} - \mu_0 \frac{\partial^2 \mathrm{J}}{\partial t^2} 这就是亥姆霍兹方程。